Как работают транзакции в Ethereum: GAS комиссии за переводы

Содержание

• Что такое транзакция в блокчейне Ethereum?
• Что такое Газ (GAS) и как он рассчитывается?
  • Оплата за хранение данных
  • В чём заключается цель сбора комиссий?
• Содержание транзакций и сообщений
  • Блоки с информацией о всех транзакциях блокчейна Ethereum
  • Что такое «оммеры» и и какова их функция?
  • Что такое заголовок блока и каково его содержание?
  • Логи с информацией о транзакциях и сообщениях
  • Генерация квитанций о транзакциях и информация в них
• Зависимость сложности блока и времени подтверждения транзакции

Все транзакции в блокчейне Эфириум сопровождаются комиссионными платежами, величина которых зависит от текущей нагрузки на сеть.

За каждое вычисление, выполняемое в сети Эфириума в результате транзакции, взимается комиссия, для обеспечения вознаграждения за поддержание сети (майнинг и хранение данных блокчейна). Эта комиссия выплачивается в единицах стоимости, называемых «газом» (gas).

Что такое транзакция в блокчейне Ethereum?

Транзакция в Эфириуме означает подписанный пакет данных, он хранит сообщение, которое нужно отправить из внешнего аккаунта (адреса), другому аккаунту.

ETH транзакция содержит:

• получателя сообщения,
• подпись, определяющую отправителя и доказывающую его намерение отправить это сообщение через блокчейн получателю,
• поле VALUE (стоимость) — Количество wei которое необходимо переслать от отправителя к получателю (может быть нулевым), многие Ethereum кошельки для удобства скрывают от нас значение в wei и показывают значение сразу в ETH,
• необязательное поле DATA, которое может содержать сообщение, отправляемое в контракт,
• значение GASLIMIT, определяющее максимальное количество вычислительных операций, допустимое в рамках конкретной транзакции,
• значение GASPRICE, определяющее комиссию, которую отправитель готов заплатить за единицу газа. Одна единица газа соответствует запуску одной атомарной (неделимой) инструкции (другими словами — вычислительной операции).

Что такое Газ (GAS) и как он рассчитывается?

Газ – это единица, используемая для обозначения размера комиссии за определённое вычислительное действие. Цена газа представляет собой то количество эфиров, которое вы готовы потратить на каждую единицу газа. Она измеряется в «Gwei». «Wei» – это наименьшая единица эфира, 1 эфир = 1⁰¹⁸ Wei. Один Gwei равен 1 000 000 000 Wei.

Для каждой транзакции отправитель устанавливает лимит газа и цену газа. Произведение цены газа и лимита газа даёт максимальное количество Wei, которое отправитель готов заплатить за выполнение транзакции.

Предположим, что отправитель устанавливает лимит газа 50 000, а цену газа 20 Gwei. Это означает, что отправитель готов потратить на выполнение этой транзакции не более чем 50 000 x 20 Gwei = 1 000 000 000 000 000 Wei = 0,001 эфира.

Запомните, что лимит газа представляет собой максимальное количество газа, которое отправитель готов оплатить. При этом, на счету отправителя должно находиться достаточное для оплаты максимального количества газа количество эфиров. После выполнения транзакции эквивалент любого количества неиспользованного газа возвращается на счёт отправителя в эфирах, будучи обменянным по первоначальной ставке.

Если отправитель не предоставляет необходимого для выполнения транзакции количества газа и оно исчерпывается в процессе её выполнения, то такая транзакция признаётся недействительной. В этом случае выполнение транзакции прерывается, любые произведённые ею изменения в состоянии сети отменяются и Эфириум возвращается в состояние, в котором он находился перед началом транзакции – как если бы её вовсе не было.

Поскольку к тому моменту, как отпущенное на транзакцию количество газа было исчерпано, машина уже затратила ресурсы на выполнение вычислений, логично, что в этом случае плата за газ отправителю транзакции не возвращается.

Куда именно уходит плата за газ? Все средства, уплачиваемые за газ отправителем транзакции, отправляются на адрес выгодоприобретателя (обычно это адрес майнера). Поскольку для обеспечения необходимых вычислений и подтверждения транзакций в сети Ethereum майнеры предоставляют свой хешрейт (вычислительные мощности), они получают плату за газ в качестве вознаграждения за потраченные ресурсы.

Как правило, чем выше цена газа, которую отправитель готов заплатить, тем большее вознаграждение получит майнер за выполнение транзакции, и следовательно, тем выше вероятность того, что майнер выберет именно эту транзакцию.

Таким образом, майнеры могут выбирать, какие транзакции они хотят подтвердить либо проигнорировать. Для того чтобы помочь отправителю понять, какую стоимость газа ему следует установить, у майнеров есть возможность сообщить публично о минимальной цене газа, при которой они будут выполнять транзакции.

Оплата за хранение данных

Газ используется для оплаты не только вычислительных действий, но и хранения данных. Общая плата за хранение пропорциональна наименьшему использованному кратному 32 байтам числу.

В комиссии за хранение данных есть свои нюансы. Например, поскольку увеличение размера хранилища увеличивает размер базы данных состояний для всех нод, то для пользователей сети предусмотрен стимул к сокращению количества хранимых данных до необходимого минимума.

Поэтому, если транзакция инициирует выполнение действия, в результате которого объём занимаемого хранилища сокращается, то комиссия за выполнение этой операции не взимается, ПЛЮС производится возврат средств за освобождённый объём.

В чём заключается цель сбора комиссий?

Один из важных аспектов работы Эфириума заключается в том, что каждая операция в сети выполняется одновременно всеми полными нодами. Однако выполнение вычислительных действий в виртуальной машине Эфириума стоит очень дорого.

Таким образом, смарт-контракты Эфириума больше подходят для решения простых задач, таких, как реализация простой бизнес-логики или проверки цифровой подписи и других криптографических объектов, чем для реализации более сложных сценариев, как хранение файлов, email или машинного обучения, которые могут послужить источником высокой нагрузки на сеть. Комиссионные платежи помогают предотвратить чрезмерную нагрузку на сеть.

Эфириум – Тьюринг-полный язык программирования. (Вкратце, машина Тьюринга может симулировать любой алгоритм работы вычислительной машины. Те, кто не имеет представления о машинах Тьюринга, могут ознакомиться с этой и этой статьями.) Это позволяет использовать циклы и делает Эфириум подверженным проблеме остановки, когда вы не можете определить, будет ли программа продолжать выполняться бесконечно.

Если бы в сети не было комиссионных платежей, злоумышленник легко мог бы нарушить работу сети, без каких-либо последствий инициировав посредством транзакции выполнение бесконечного цикла вычислительных действий. Таким образом, комиссии также защищают сеть от преднамеренных атак.

Вы можете подумать: «Но почему мы должны платить ещё и за хранение данных?» Что ж, точно так же, как и выполнение вычислений, хранение данных в Эфириуме имеет свою стоимость, которую сеть должна взять на себя.

Содержание транзакций и сообщений

Мы уже говорили о том, что Эфириум представляет собой машину состояний, функционирующую посредством транзакций. Иными словами, именно различные счета инициируют переход Эфириума из одного глобального состояния в другое.

В самом базовом смысле, транзакция является частью команды с криптографической подписью, которая генерируется счётом внешнего владельца, сериализуется и затем передаётся в блокчейн.

Есть два типа транзакций:

• сообщения;
• транзакции создания контрактов.

Все транзакции, независимо от их типа, включают в себя следующие компоненты:

• nonce: количество транзакций, совершённых отправителем;
• gasPrice: количество Wei, которое отправитель готов заплатить за единицу газа, необходимого для выполнения транзакции;
• gasLimit: максимальное количество газа, которое отправитель готов заплатить за выполнение этой транзакции. Это количество устанавливается и оплачивается заранее, до того, как будут выполнены какие-либо вычисления;
• to: адрес кошелька получателя. В случае транзакции создания контракта адрес контракта ещё не существует, поэтому используется пустое значение;
• value: количество Wei, которое должно быть передано от отправителя получателю. В транзакции создания контракта, эта сумма будет являться стартовым балансом создаваемого счёта контракта;
• v, r, s: используется для генерирования подписи, идентифицирующей отправителя транзакции;
• init (только в транзакциях создания контракта): Фрагмент кода EVM, который используется для создания нового счёта контракта. Команда init выполняется только один раз, после чего игнорируется. При первом выполнении init возвращает тело кода счёта, которое является частью кода, постоянно ассоциированного со счётом контракта;
• data (необязательное поле, только для сообщений): входные данные (т.е. параметры) сообщения. Например, если смарт-контракт выполняет роль сервиса регистрации доменных имён, то он может ожидать получения таких входных данных, как доменное имя и IP-адрес.

В разделе «Счета (аккаунты)» мы узнали, что транзакции – как сообщения, так и транзакции создания контрактов – всегда инициируются счетами внешних владельцев и передаются в блокчейн. Можно сказать, что транзакции являются своего рода мостами между внешним миром и внутренним состоянием Эфириума.

Однако это не означает, что контракты не могут взаимодействовать друг с другом. Контракты, существующие в глобальной области действия состояния Эфириума, могут взаимодействовать с контрактами внутри этой же области действия. Они делают это посредством «сообщений» или «внутренних транзакций» в адрес других контрактов.

Можно сказать, что сообщения или внутренние транзакции схожи с обычными транзакциями, но отличаются тем, что они НЕ генерируются счетами внешних владельцев. Их генерируют контракты. Это виртуальные объекты, которые, в отличие от транзакций, никогда не сериализуются и существуют только в среде выполнения Эфириума.

Когда один контракт отправляет внутреннюю транзакцию на адрес счёта другого контракта, выполняется соответствующий код, прописанный в контракте-получателе.

Важно отметить, что внутренние транзакции или сообщения не имеют параметра gasLimit. Это связано с тем, что лимит газа определяется внешним создателем исходной транзакции (со счёта внешнего владельца).

Лимит газа, устанавливаемый счётом внешнего владельца, должен быть достаточным для выполнения транзакции, включая любые подзадачи – как, например, сообщения между счетами контрактов, – которые могут быть ею инициированы.

Если в цепочке транзакций и сообщений при выполнении отдельного сообщения был исчерпан лимит газа, то передача этого и всех следующих за ним сообщений, связанных с этой транзакцией, будет отменена. Однако отменять выполнение родительской транзакции необходимости нет.

Блоки с информацией о всех транзакциях блокчейна Ethereum

Все транзакции объединяются в «блоки.» Блокчейн Эфириума содержит множество таких блоков, соединённых в цепочку.

В Ethereum блок состоит из:

• заголовка блока;
• информации о группе транзакций, включённых в этот блок;
• набора заголовков других блоков для оммеров текущего блока.

Что такое «оммеры» и икакова их функция?

Оммер (ommer) – это блок, чей родительский блок тождественен родительскому блоку родительского блока текущего блока. Давайте рассмотрим, для чего оммеры используются и почему в блоки включаются заголовки оммеров.

Эфириум построен таким образом, что интервал между блоками в нём значительно меньше (~15 секунд), чем в других блокчейнах и, например, в Биткоине (~10 минут). Это позволяет ускорить процесс обработки транзакций. Однако один из недостатков короткого интервала между блоками заключается в том, что майнеры находят больше конкурирующих блоков.

Эти конкурирующие блоки называют ещё потерянными, «орфанными» или просто «орфанами» (от англ. orphan) – то есть намайненными блоками, не включёнными в основную цепочку.

Оммеры нужны для того, чтобы майнеры могли получить вознаграждение за включение в блокчейн таких орфанов. Оммеры, включаемые майнерами в блокчейн, должны быть «действительными», то есть быть сформированными не более чем в шестом поколении от настоящего блока. После шести дочерних блоков, ссылаться на устаревшие орфаны больше нельзя (так как запись в блокчейн более старых транзакций заметно усложнит процессы сети).

За подтверждение оммеров майнеры получают меньшее вознаграждение, чем за полный блок. Тем не менее определённый стимул для майнеров включать в блокчейн такие орфаны и получать за это вознаграждение существует.

Что такое заголовок блока и каково его содержание?

Давайте ненадолго вернёмся к блокам. Мы уже упоминали, что у каждого блока есть заголовок, но что именно он из себя представляет?

Заголовок блока состоит из части его содержимого и включает:

• parentHash: хэш заголовка родительского блока (с его помощью набор блоков организуется в «цепочку»);
• ommersHash: хэш списка оммеров текущего блока;
• beneficiary: адрес счёта, на который перечисляется комиссия за майнинг этого блока;
• stateRoot: хэш корневого узла trie-дерева состояний (ранее мы уже узнали, trie-дерево состояний хранится в заголовке и упрощает для лёгких клиентов верификацию чего-либо помимо состояния);
• transactionRoot: хэш корневого узла trie-дерева, который содержит все транзакции, включённые в этот блок;
• receiptsRoot: хэш корневого узла trie-дерева, содержащий квитанции обо всех транзакциях, включённых в этот блок;
• logsBloom: фильтр Блума (структура данных), состоящий из лога информации;
• difficulty: уровень сложности данного блока;
• number: порядковый номер текущего блока (генезисный блок имеет нулевой номер; номер каждого последующего блока увеличивается на единицу);
• gasLimit: текущий лимит газа, расходуемого на блок;
• gasUsed: общее количество газа, использованного на выполнение транзакций в данном блоке;
• timestamp: UNIX-метка времени для создания данного блока;
• extraData: дополнительные данные, относящиеся к этому блоку;
• mixHash: хэш, который, в сочетании с nonce, служит подтверждением того, что для данного блока было выполнено достаточное количество вычислительных операций;
• nonce: хэш, который, в сочетании с mixHash, служит подтверждением того, что для данного блока было выполнено достаточное количество вычислительных операций.

Обратите внимание, что заголовок каждого блока содержит три trie-структуры для:

• состояния (stateRoot);
• транзакций (transactionsRoot);
• квитанций (receiptsRoot).

Эти trie-структуры – не что иное, как patricia-деревья Меркла, о которых мы говорили ранее.

Кроме того, в приведённых выше описаниях тоже было несколько терминов, значение которых стоит прояснить. Давайте остановимся на них подробнее.

Логи с информацией о транзакциях и сообщениях

Эфириум ведёт логи для того, чтобы можно было отслеживать различные транзакции и сообщения. При выполнении каждой транзакции генерируется лог.

Логи содержат следующую информацию:

• адрес счёта регистратора лога;
• ряд тем, представляющих различные действий, произведённых в связи с выполнением данной транзакции;
• любые данные, связанные с этими задачами.

Логи хранятся в фильтре Блума, который эффективно хранит бесконечное количество их данных.

Генерация квитанций о транзакциях и информация в них

Логи, хранящиеся в заголовке, берутся из данных логов, которые содержатся в квитанциях о выполненных транзакциях. Точно так же, как вы получаете чек при покупке в магазине, Эфириум генерирует для каждой транзакции квитанцию с информацией о транзакции. Она включает следующие данные:

• номер блока;
• хэш блока;
• хэш транзакции;
• количество газа, использованного при выполнении данной транзакции;
• общее количество газа, использованное в данном блоке после выполнения данной транзакции;
• логи, сгенерированные при выполнении данной транзакции;
• и прочую информацию.

Зависимость сложности блока и времени подтверждения транзакции

Понятие «сложность» блока используется для обозначения того, насколько продолжительное время требуется для подтверждения этого блока. Генезисный блок имел уровень сложности 131 072, а для расчёта сложности каждого последующего блока используется специальная формула. Если какой-либо блок был валидирован быстрее предыдущего, протокол Эфириума увеличивает сложность этого блока.

Сложность блока влияет на параметр nonce, представляющий собой хэш, который должен быть рассчитан при майнинге блока в алгоритме Proof-of-Work.

Соотношение между сложностью блока и nonce математически выражается следующей формулой:

где Hd – это сложность.

Единственный способ найти значение nonce, отвечающее пороговой сложности, заключается в использовании алгоритма Proof-of-Work для проверки всех возможных вариантов. Ожидаемое время поиска решения пропорционально сложности – чем выше сложность, тем сложнее становится найти значение nonce и тем сложнее валидировать блок, что, в свою очередь, увеличивает время, необходимое для валидации нового блока.

Таким образом, регулируя сложность блока, протокол может регулировать то, какое время будет занимать его валидация.

Если, с другой стороны, время валидации блока увеличивается, то протокол снижает уровень сложности. Таким образом, время валидации автоматически корректируется таким образом, чтобы поддерживать постоянную скорость – в среднем, один блок каждые 15 секунд.